吳 迪，吳 鵬，畢朝剛，吳 剛

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

殼牌煤氣化上行氣激冷工藝中最重要的設(shè)備為氣化爐及與其相連的合成氣冷卻器，氣化爐內(nèi)部為一臺(tái)膜式水冷壁反應(yīng)器，表面安裝有陶瓷耐火襯里材料，在運(yùn)行期間，水冷壁上保持強(qiáng)制冷卻水循環(huán)，從而對(duì)高溫粗合成氣進(jìn)行降溫、除塵、增濕并吸收熱量生產(chǎn)中壓蒸汽[5-7]。由于該結(jié)構(gòu)的特殊性，與其水冷壁相連的水汽系統(tǒng)管道在設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，直接關(guān)系到整套氣化裝置能否正常運(yùn)行。通常情況下，殼牌專利商會(huì)根據(jù)其氣化爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)給出整個(gè)管系的建議設(shè)計(jì)方案，以滿足工藝要求，但由于水汽系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，工藝商的建議方案往往不能滿足不同項(xiàng)目之間的差異性，如何設(shè)計(jì)出既能滿足工藝要求，又能便于安裝、操作、檢修的水汽系統(tǒng)管道，是每個(gè)殼牌煤氣化項(xiàng)目在管道布置設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 水汽系統(tǒng)工藝流程及設(shè)備布置

殼牌煤氣化上行氣激冷水汽系統(tǒng)主要設(shè)備由氣化爐、合成氣冷卻器、中壓蒸汽汽包以及3臺(tái)中壓循環(huán)水泵組成。水汽系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備對(duì)于氣化裝置非常重要，在設(shè)備布置時(shí)，既要注意滿足工藝位差的要求，又要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)還要考慮設(shè)備的吊裝、檢修與安裝，在此基礎(chǔ)上，還要對(duì)水汽系統(tǒng)的管線進(jìn)行合理規(guī)劃。因此，在對(duì)水汽系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行布置時(shí)，既要熟練掌握工藝流程，又要對(duì)相關(guān)設(shè)備的特性結(jié)構(gòu)有著較為深入的理解。

1.1 工藝流程

在整個(gè)煤氣化系統(tǒng)中，水汽系統(tǒng)主要起到冷卻氣化爐及合成氣冷卻器、回收熱量、產(chǎn)生蒸汽的作用。其工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 殼牌水汽系統(tǒng)工藝流程

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)先由中壓蒸汽汽包(V-1301)將冷卻水(介質(zhì)代碼：PCW1)輸送至中壓循環(huán)水泵(P-1301A/B/C)，經(jīng)泵加壓，送往氣化爐及合成氣冷卻器水冷壁，對(duì)氣化爐及合成氣冷卻器進(jìn)行冷卻，經(jīng)氣化余熱加熱后的回水(介質(zhì)代碼：PCW2)，再由下至上通往中壓蒸汽汽包，在汽包內(nèi)完成氣液分離，氣態(tài)部分產(chǎn)生5.6MPa(g)、270℃左右中壓蒸汽，送出氣化裝置供全廠使用，液態(tài)冷卻水(約270℃)繼續(xù)循環(huán)，從而使氣化爐在熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)平衡，保證整個(gè)裝置的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

1.2 設(shè)備布置

氣化爐及其合成氣冷卻器為氣化裝置的核心設(shè)備，為了滿足工藝生產(chǎn)要求，通常將其布置在高約100m的單獨(dú)框架之內(nèi)。對(duì)水汽系統(tǒng)而言，中壓蒸汽汽包需要回收氣化爐產(chǎn)生的熱量，必須布置在氣化爐頂部；而中壓循環(huán)水泵由于需要為氣化爐及合成氣冷卻器供水，則需布置在氣化爐底部。框架由上而下分別為中壓蒸汽汽包、氣化爐及合成氣冷卻器、中壓循環(huán)水泵組，系統(tǒng)在框架內(nèi)的高度由約20 m到約95 m，約占9～10層樓面。

除滿足上述工藝要求，水汽系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備還需遵循以下原則：①充分考慮氣化爐及合成氣冷卻器的吊裝檢修要求，在框架外留出氣化爐吊裝空間；②充分考慮氣化爐及合成氣冷卻器各管口(尤其是水汽系統(tǒng)管口)的高度和樓面設(shè)備開(kāi)孔周圍鋼梁的高度，避免設(shè)備管口布置在樓面附近；③充分考慮氣化爐正常操作工況下的熱位移，設(shè)置層高時(shí)預(yù)留設(shè)備位移時(shí)管口標(biāo)高的變化空間；④注意水汽系統(tǒng)管口與氣化爐及合成氣冷卻器其他管口之間的相關(guān)位置關(guān)系。例如，水汽管口與氣化爐燒嘴管口之間的相對(duì)位置，既要保證燒嘴能夠正常檢修安裝、燒嘴處相關(guān)管道能夠合理布置，又要為水汽管口(特別是與燒嘴相鄰的燒嘴罩處水汽管口)留出管道布置空間；⑤充分考慮合成氣冷卻器與中壓蒸汽汽包在平面上的相對(duì)位置關(guān)系，既要做到與汽包相連的大量水汽管道有充足的空間進(jìn)行布置，又要使其不影響合成氣冷卻器頂部的操作、檢修空間；⑥充分考慮中壓蒸汽汽包頂部的放空、蒸汽管線的布置空間，合理優(yōu)化層高；⑦注意中壓循環(huán)水泵泵組進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)，為泵組留出檢修凈空，必要時(shí)設(shè)置檢修軌道，并在框架內(nèi)為泵組預(yù)留檢修吊裝空間。

2 水汽系統(tǒng)管道的設(shè)計(jì)

水汽系統(tǒng)管道集中布置在氣化爐及合成氣冷卻器、中壓蒸汽汽包附近，管道系統(tǒng)復(fù)雜，管道非常密集。由于管路系統(tǒng)與氣化爐膜式水冷壁連接，若各路管線水量不均勻會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱不均，容易引起水冷壁熱表面嚴(yán)重?fù)p毀甚至爆管。因此，水汽系統(tǒng)配管設(shè)計(jì)應(yīng)保證各路管線水量分布均勻。

同時(shí)，由于水汽系統(tǒng)管系溫度較高，為了滿足熱應(yīng)力要求，為管道提供較好的柔性，管線通常需要在豎直方向做π型補(bǔ)償，因此，該管系對(duì)空間的要求較高。如何合理利用氣化爐附近的空間，保證該管系既能分布均勻，又能滿足熱應(yīng)力要求，還能為氣化爐及合成氣冷卻器、中壓循環(huán)水泵等設(shè)備留出充足的檢修操作空間，是設(shè)計(jì)人員需要提前重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。常見(jiàn)殼牌水汽系統(tǒng)總的管道布置概況見(jiàn)圖2。

式中：Cp為每次動(dòng)態(tài)預(yù)防維修費(fèi)用，Cr為設(shè)備更換維修費(fèi)用，u為成本調(diào)節(jié)系數(shù)，v為預(yù)修周期調(diào)節(jié)系數(shù)，e為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，w為學(xué)習(xí)效應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)，w=lnK/ln2，K為維修經(jīng)驗(yàn)曲線百分率。

圖2 水汽系統(tǒng)總管道的布置典型概況

2.1 進(jìn)水管道(PCW1)的設(shè)計(jì)

2.1.1大口徑進(jìn)水主管的設(shè)計(jì)

水汽進(jìn)水管道是指從中壓蒸汽汽包到中壓循環(huán)水泵后，經(jīng)增壓后分配至氣化爐水冷壁的管道(介質(zhì)代碼PCW1)。這其中，由汽包至中壓循環(huán)水泵的兩根管道及中壓循環(huán)水泵至氣化爐、合成氣冷卻器的水汽分配主管。由于管道管徑大、管線長(zhǎng)，需要最先設(shè)計(jì)，在不影響氣化框架其他關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵管道的情況下，為水汽管道留出充足的布置空間。其布置原則如下：①汽包至循環(huán)水泵兩根水汽管道需要從汽包底部出口(約90 m標(biāo)高)至循環(huán)水泵上層樓面(約40 m)合并后進(jìn)行平均分配，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該管道的應(yīng)力情況，盡量在氣化爐區(qū)域之外對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償；②由于汽包布置在合成氣冷卻器上方，其出口PCW1管道應(yīng)盡量避開(kāi)合成氣冷卻器的關(guān)鍵管口，尤其是合成氣冷卻器頂部敲擊器；③3臺(tái)循環(huán)水泵出入口管道需先匯總，再進(jìn)行分配，其總管端部應(yīng)設(shè)置盲板法蘭；④由于總管口徑較大，若盲板法蘭口徑太大，不利于拆卸檢修；但若盲板法蘭口徑太小，會(huì)使主管端部異徑管變徑段太長(zhǎng)，增加水汽系統(tǒng)死區(qū)，不利于施工階段水汽系統(tǒng)外循環(huán)正反沖洗試驗(yàn)。因此，需根據(jù)實(shí)際情況與專利商、施工技術(shù)人員協(xié)商水汽主管端部盲板法蘭的大??；⑤循環(huán)水泵出口去氣化爐水汽主管應(yīng)布置在氣化爐及合成氣冷卻器之間，從而使各供水支管管路最短；⑥充分考慮去氣化爐水汽主管與氣化爐及合成氣冷卻器的相對(duì)位置關(guān)系，在做應(yīng)力補(bǔ)償時(shí)，合理避開(kāi)合成氣冷卻器的恒力吊及氣化爐燒嘴。

2.1.2進(jìn)水分配支管的設(shè)計(jì)

水汽系統(tǒng)的各進(jìn)水支管管口一般布置在氣化爐及合成氣冷卻器爐體上，同一平面的進(jìn)出管口多為4～8個(gè)，環(huán)形對(duì)稱布置，整個(gè)氣化爐及合成氣冷卻器約有13個(gè)進(jìn)水分配環(huán)。為保證進(jìn)水管道水量均勻，不影響氣化爐水冷壁換熱，氣化爐、合成氣冷卻器水汽管口處給水支管也應(yīng)盡量做到對(duì)稱分布，并做到如下原則：①給水分配支管應(yīng)盡量水平布置，各支管應(yīng)從母管頂部抽頭；②同一個(gè)標(biāo)高管口的管線支路應(yīng)對(duì)稱布置，管路的長(zhǎng)度、彎頭數(shù)應(yīng)盡量保持一致；③整個(gè)系統(tǒng)不能存在袋型。

氣化爐附近典型的水汽系統(tǒng)分配管布置方式見(jiàn)圖3。

圖3 幾種進(jìn)水分配管(PCW1)典型布置

2.1.3中壓循環(huán)水泵進(jìn)出口給水管道設(shè)計(jì)

3臺(tái)中壓循環(huán)水泵通常布置在一起，設(shè)備進(jìn)出口通常為頂進(jìn)頂出，進(jìn)出口管道附近有閥門(mén)、過(guò)濾器等大量管件，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮循環(huán)水泵附近的檢修、操作空間。必要時(shí)，為進(jìn)出口管道閥門(mén)、管件設(shè)置操作平臺(tái)及吊點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)特別注意框架層高，注意與上層樓面、結(jié)構(gòu)梁之間的空間距離。

同時(shí)，在氣化裝置工程建設(shè)末期，通常需要對(duì)水汽系統(tǒng)進(jìn)行試車，在此階段，將有大量沖洗、試壓水從中壓循環(huán)水泵進(jìn)出口管線的導(dǎo)淋(DN50)進(jìn)行排放，因此，中壓循環(huán)水泵進(jìn)出口的導(dǎo)淋需用總管(約DN200)串聯(lián)后并入整個(gè)框架的排水管網(wǎng)。

2.2 回水管道(PCW2)的設(shè)計(jì)

2.2.1中壓蒸汽汽包回水管道設(shè)計(jì)

水汽回水管道是指經(jīng)氣化爐及合成氣冷卻器換熱后，得到設(shè)計(jì)壓力為7.3 MPa(g)、設(shè)計(jì)溫度為280℃的水汽管道，介質(zhì)代碼PCW2。該管系由氣化爐及合成氣冷卻器回水管口引出，自下而上流入中壓蒸汽汽包。PCW2管系共有約13根管道需要與汽包相連，由于管道多、溫度高、管線跨度長(zhǎng)，汽包附近需要提前為其預(yù)留較大的布置空間。汽包附近水汽回水管道注意的事項(xiàng)如下：①由于回水管道需要斜向上匯入中壓汽包，汽包PCW2管口應(yīng)處于水平向下15°～20°之間，相應(yīng)管道彎頭也應(yīng)根據(jù)汽包設(shè)備條件設(shè)計(jì)為特殊角度彎頭；②各回水主管應(yīng)盡量在下層框架成排布置，集中設(shè)計(jì)π型補(bǔ)償，盡量減少布置區(qū)域；③由于回水管道較多，為了不影響氣化爐及合成氣冷卻器布置空間，應(yīng)將其布置在遠(yuǎn)離氣化爐的一側(cè)。

2.2.2回水分配支管的設(shè)計(jì)

氣化爐、合成氣冷卻器管口附近的回水支管與進(jìn)水支管設(shè)計(jì)一致，同一平面的管口應(yīng)盡量呈環(huán)形對(duì)稱布置，整個(gè)氣化爐及合成氣冷卻器約有10個(gè)回水分配環(huán)。其設(shè)計(jì)原則如下：①回水支管不能有袋型，應(yīng)“步步高”至主管，靠近管口處應(yīng)設(shè)置導(dǎo)淋；②同一個(gè)標(biāo)高管口的管線支路應(yīng)對(duì)稱布置，管路的長(zhǎng)度、彎頭數(shù)應(yīng)盡量保持一致；③應(yīng)注意避開(kāi)氣化爐的支撐結(jié)構(gòu)，例如合成氣冷卻器的恒力吊；④應(yīng)注意不能碰撞氣化爐、合成氣冷卻器敲擊器等管口，為其留出檢修空間。

氣化爐附近典型的水汽系統(tǒng)回水管分配方式見(jiàn)圖4。

圖4 幾種回水分配管(PCW1)典型布置

3 水汽系統(tǒng)支架的設(shè)計(jì)

由于水汽系統(tǒng)溫度高、管線密集、管線長(zhǎng)，且氣化爐在烘爐時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱膨脹位移。所以水汽系統(tǒng)有著大量的彈簧，尤其是恒力彈簧，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮彈簧的選型和安裝空間，對(duì)支架的設(shè)計(jì)需格外重視，注意事項(xiàng)如下：①充分利用上層樓面底部鋼梁作為吊點(diǎn)，避免支撐在地面，影響氣化爐燒嘴、敲擊器、恒力吊、人孔的檢修、安裝、操作；②應(yīng)力計(jì)算初始階段應(yīng)核對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)安裝空間不足的支架點(diǎn)，盡早反饋給應(yīng)力專業(yè)，獲取最優(yōu)方案；③大口徑水汽主管應(yīng)密集設(shè)置支架，避免單個(gè)管架荷載過(guò)大。彈簧宜設(shè)置在垂直管段，且在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水壓試驗(yàn)荷載；④熱位移較大的支架點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先采用吊架，且應(yīng)保證吊桿夠長(zhǎng)，從而保證彈簧允許擺動(dòng)角度，應(yīng)根據(jù)彈簧型號(hào)選擇合適的吊桿、U型吊耳；⑤根據(jù)HG/T 21629—2021，選用合適的螺栓型管夾[8]，注意其許用荷載，若荷載過(guò)大，應(yīng)提荷載條件給供貨商特制；⑥對(duì)于位移較大處。(例如π型補(bǔ)償處)應(yīng)充分考慮支架形式，防止支架與結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)脫落分離。

4 結(jié)語(yǔ)

殼牌上行氣激冷煤氣化技術(shù)是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最早、最廣的粉煤氣化技術(shù)。其核心優(yōu)點(diǎn)之一便是節(jié)能減耗，通過(guò)水汽系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽回收利用。近年來(lái)，在煤氣化領(lǐng)域，殼牌下行水激冷粉煤氣化工藝、航天爐粉煤工藝、晉華爐第三代水煤漿工藝等也對(duì)副產(chǎn)蒸汽進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但相比殼牌氣激冷，各工藝的水汽系統(tǒng)均不如其復(fù)雜。因此，研究并了解殼牌上行氣激冷工藝水汽管道的布置，對(duì)今后的煤氣化管道布置有著一定的借鑒和參考。

同時(shí)，在殼牌煤氣化工程項(xiàng)目中，相比其他系統(tǒng)，水汽管道最為密集、復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員只有對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行熟練地掌握與優(yōu)化，根據(jù)管道的設(shè)計(jì)、安裝等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，合理、合規(guī)地對(duì)其進(jìn)行布置，才能提升工程質(zhì)量，保證工程進(jìn)度，減少項(xiàng)目投資。